QuSAM – Qualitätssichere Skalierbarkeit des WAAM-Prozesses zur Herstellung von Luftfahrtstrukturkomponenten

Im Zuge des Klimawandels ist es unerlässlich, die Fertigung von Bauteilen ressourcenschonend zu gestalten. Dies betrifft auch die Herstellung von Luftfahrtstrukturkomponenten, denn gerade in Bezug auf die Verarbeitung von Titanlegierungen ist großes Potential vorhanden. Je nach Wandstärken und Bauteilgeometrien werden dabei bis zu 95 % des Ausgangswerkstoffs zerspant. Die bisherige Forschung am iwb hat ergeben, dass das sogenannte WAAM-Verfahren (Wire Arc Additive Manufacturing) hervorragend dazu geeignet ist, endkonturnahe Bauteilstrukturen mit hoher Materialeffizienz additiv zu fertigen. Im Verbundprojekt QuSAM, welches über das sechste Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo VI-2) gefördert ist, entwickelt das iwb zusammen mit drei Projektpartnern ein Vorgehen zur messbar effizienteren Herstellung hochbelasteter Strukturen.

Projektdetails

Der Anteil hochfester Titanlegierungen nimmt im Rahmen von Luftfahrtentwicklungen stetig zu. Dies hat den Grund, dass Titanlegierungen unter den technologisch wichtigen Metallen über das günstigste Verhältnis von Dichte zu Festigkeit verfügen, sowohl statisch als auch dynamisch. Außerdem weist Titan eine sehr hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere auch im Verbund mit CFK. Somit gewinnt dieser Werkstoff immer mehr an Beliebtheit. Bei der rein spanenden Bearbeitung geht jedoch der Großteil des Ausgangwerkstoffs verloren. Außerdem können Titanspäne nach ihrer Kontamination mit Sauerstoff nicht mehr in den Materialkreislauf zurückgeführt werden. Somit ist die rein spanende Bearbeitung mit erheblichen Kosten verbunden. Der additive Fertigungsprozess WAAM kann hier Abhilfe schaffen. Es wird zunächst ein endkonturnahes Bauteil erzeugt, das in der Folge mit signifikant geringerem Zerspanungsgrad nachbearbeitet werden kann. So wird die Materialeffizienz erheblich gesteigert.

Die qualitätsbestimmenden Zusammenhänge des WAAM-Prozesses für Titanlegierungen sind mehrdimensional und sehr komplex. Trotzdem gibt es einen wesentlichen Faktor, der über die Qualität des Bauteils entscheiden kann. Dieser besteht in der ortsaufgelösten Aufheizung und Abkühlung im Laufe des Aufbaus. Deshalb ist ein gutes Thermomanagement wichtig. Um dies digital abbilden zu können, sollen digitale Zwillinge des WAAM-Prozesses und des Nachbearbeitungsprozesses entstehen. In dem Forschungsvorhaben QuSAM soll daher, aufbauend auf dem Vorgängerprojekt Regulus (Förderkennzeichen: 20W1709D, Laufzeit: 01.01.2018 bis 31.12.2021), die qualitätssichere Skalierbarkeit des WAAM-Prozesses zur Herstellung von Titan-Luftfahrtstrukturen etabliert werden, indem eine konstante Überwachung eingeführt wird.

Vorgehen

Um das Ziel, einen qualitätssicheren Lichtbogen-Prozess zur additiven Fertigung von Titanstrukturen, zu erreichen, werden Bauteile mit mindestens 1 m Größe in einer Raumrichtung aufgebaut. Diese Bauteile sollen dabei die gleichen homogenen Werkstoffeigenschaften aufweisen, wie die im Vorgängerprojekt erstellten, kleineren Proben. Außerdem soll eine intelligente Bahnplanung und ein digitaler Zwilling für den WAAM-Prozess unter der Nutzung maschineller Lernstrategien entwickelt werden. Zuletzt wird eine Fertigungszelle für AM-Titangroßstrukturen aufgebaut, die eine horizontale und vertikale digitale Prozesskette aufweist. So wird eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung, die durch geeignete Hard- und Softwarearchitekturen unterstützt wird, gewährleistet.

Dank

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo) VI-2 (Förderkennzeichen 20Q2121E) gefördert und vom Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) betreut. Wir danken dem BMWK für die Förderung und dem DLR für die Betreuung sowie für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit.